Với số lượng 16 ngõ vào và 12 ngõ ra thì lựa chọn mô-đun CPU PLC S7 1212C DC/DC/DC có mã hiệu là 6ES7212- 1AE40-0XB0 kết hợp với mô-đun analog input SM1223 16DI/16DO
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 3.1 Yêu cầu về hệ thống
Điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót sử dụng PLC S7 – 1200 có các yêu cầu sau: - Hệ thống vận hành ổn định.
- Năng suất 10 chai 1phút.
- Chiết rót nước đúng theo yêu cầu, có sai số thấp. - Gạt và đóng nắp chai chính xác
- Khi gặp sự cố thì dừng toan bộ dây chuyền để đảm bảo an toàn
Với những yêu cầu trên, nhóm sẽ thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống và tính toán lựa chọn thuật toán phù hợp.
15
3.2 Mô tả hệ thống
Dựa vào yêu cầu chức năng hoạt động và công nghệ của dây chuyển chiết rót, đóng nắp chai nước tinh khiết, chúng em xây dựng hệ thống dây chuyền nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp của mình như trình bày ở bên dưới.
Hình 3. 1 Mô tả hệ thống
Hệ thống gồm 4 khối:
-Khối chiết rót: Khi băng tải 1 đưa chai vào cảm biến sẽ nhận biết có chai vào, băng tải 1 ngừng lại sau đó bơm sẽ hoạt động để bơm một lượng nước nhất định vào chai. Khi chai đã được bơm đầy nước thì bơm sẽ ngắt và mâm xoay hoạt động để đưa chai đến vị trí cấp nắp.
16
-Khối cấp nắp: Khi chai đi qua vị trí cấp nắp sẽ được cấp nắp, sau khi chai được cấp nắp thì mâm xoay đưa chai đến vị trí đóng nắp.
-Khối đóng nắp: Cảm biến đóng nắp chai sẽ nhận biết có chai tới, xi – lanh nắp sẽ đẩy động cơ nắp xuống và động cơ sẽ đóng nắp cho chai.sau thời gian trễ thì nâng tay đóng nắp về vị trí ban đầu
-Khối phân loại: Khi chai đến vị trí phân loại cảm biến chai ra hoạt động, băng tải 2 ngừng đồng thời cảm biến mức nước và cảm biến nắp chai sẽ kiểm tra chai
3.3 Lựa chọn băng tải
Băng tải là thiết bị chuyên dụng được dùng trong công nghiệp được cấu tạo từ hệ thống máy hoặc cơ có khả năng di chuyển một vật nặng hay một khối lượng lớn nguyên vật liệu từ điểm này tới điểm khác cách đó một khoảng cách vật lý nhất định
3.3.1 Các loại băng tải
a) Băng tải PVC
+ Băng tải PVC là băng tải được làm từ chất liệu dẻo tổng hợp Poly vinyl clorua. + Có khả năng đàn hồi cao, chịu được nhiệt.
+ Khả năng kháng dầu và chịu lực kéo tốt. + Dễ dàng tháo lắp.
+ Một số loại băng tải PVC.
Băng tải PVC xanh (mặt trên trơn láng, mặt dưới là lớp bố dệt) có độ dày 1mm, 2mm, 3mm, 4mm và 5mm.
Băng tải PVC trắng (mặt trên trơn láng, mặt dưới là lớp bố dệt) có độ dày 2mm, 3mm Băng tải PVC xanh (mặt trên trơn láng , mặt dưới PVC caro)có độ dày 3mm và 4,5mm.
Hình 3. 2 Băng tải PVC
17
b) Băng tải con lăn
Băng tải con lăn truyền động là loại băng tải có kích cỡ trung bình, lớn và thường được sử dụng để vận chuyển thùng hay bao có khối lượng nặng.
Hình 3. 3 Băng tải con lăn
+ Ưu điểm:
Xây dựng dựa trên mô-đun tích hợp dễ dàng với các thiết bị bao gồm: Pallet, băng tải con lăn trọng lực, chuỗi băng tải…
Hiệu quả kinh tế cao, tiết kiệm được rất nhiều nhân công, sức lực, chi phí và thời gian. + Nhược điểm:
Băng tải con lăn đòi hỏi kết cấu cơ khí phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, giá thành khá đắt đỏ.
Và một số dạng băng tải khác như: băng tải xích, băng tải gầu, băng tải cao su, băng tải vít xoắn, băng tải rung…
c) Băng tải xich
- Làm bằng inox, chịu được sự mài mòn cao, độ bền cao nên được sử dụng trong môi trường khác nghiệt.
- Động cơ giảm tốc chuyền động: Là loại động cơ giảm tốc có công xuất 1.1KW. - Khung băng tải xích: Bằng Inox, bằng thép hoặc nhôm định hình.
- Có các tay đỡ, thanh đỡ và chắn sản phẩm.
- Kích thước: Dài từ 500m đến 50.000mm, rộng từ 50mm đến 1500mm.
- Ứng dụng rất nhiều trong ngành thực phẩm, đặc biệt là sản xuất đồ uống và nông sản.
- Ứng dụng trong ngành công nghiệp lắp ráp thiết bị điện tử như Ti vi, tủ lạnh, điều hoà, máy khâu, xe đạp điện, xe máy, ô tô,...
3.3.2 Lựa chọn băng tải cho hệ thống
-Với yêu cầu của hệ thống là băng tải vận chuyển chai nước, để đáp ứng yêu cầu công nghệ của hệ thống cũng như đáp ứng về mặt kinh phí đầu tư, chúng em quyết định lựa chọn băng tải xích
- Khung băng tải xích: Bằng Inox, bằng thép hoặc nhôm định hình. - Có các tay đỡ, thanh đỡ và chắn sản phẩm.
- Kích thước: Dài từ 500m đến 50.000mm, rộng từ 50mm đến 1500mm.
3.4 Lựa chọn biến tần và động cơ cho hệ thống3.4.1 Biến tần OMRON 3G3JX 3.4.1 Biến tần OMRON 3G3JX
a) Giới thiệu biến tần
-Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được.
-Biến tần là thiết bị có thể làm thay đổi tần số của điện áp điện lưới để thay đổi tốc độ động cơ, và tần số điện lưới của Việt Nam là 50Hz.
Theo công thức tính tốc độ của động cơ: n=60f/p. Trong đó f là tần số, P là số cặp cực của motor (thông thường là P=2). Từ công thức này ta có thể thấy khi tần số thay đổi thì tốc độ sẽ thay đổi.
19
Biến tần có thể thay đổi tần số từ 1Hz đến 50Hz, thậm chí là 60Hz hoặc lên đến 400Hz đối với loại động cơ chạy tốc độ cao trong các máy CNC. Chính vì vậy nhờ có biến tần mà ta có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn bình thường so với chạy tần số 50Hz.
-Biến tần có thể thay đổi tốc độ động cơ dễ dàng, bởi vậy dòng khởi động của động cơ sẽ không vượt quá 1.5 lần so với dòng khởi động truyền thống bằng sao-tam giác, (4~6) lần dòng định mức.
Nhờ dễ dàng thay đổi tốc độ cho nên có thể tiết kiệm điện năng cho các tải thường không cần phải chạy hết công suất.
Có thể giúp động cơ chạy nhanh hơn, thông thường là 54-60Hz, bình thường là 1500v/p với 50Hz, khi có biến tần thì 1800v/p với 60Hz, giúp tăng sản lượng đầu ra cho máy, tăng tốc độ cho các quạt thông gió.
-Biến tần thường có hệ thống điện tử bảo vệ quá dòng, bảo vệ cao áp và thấp áp, tạo ra một hệ thống an toàn khi vận hành.
Quá trình khởi động từ tốc độ thấp giúp cho động cơ mang tải lớn không phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần cơ khí, ổ trục, tăng tuổi thọ động cơ.
Nhờ nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode và tụ điện nên hệ số cosphi đạt ít nhất là 0.96, công suất phản kháng từ động cơ rất thấp, gần như được bỏ qua, do đó giảm được dòng đáng kể trong quá trình hoạt động, giảm chi phí trong lắp đặt tủ tụ bù, giảm thiểu hao hụt đường giây.
Tiết kiệm điện 20-30 phần trăm so với hệ thống khởi động truyền thống b) Biến tần 3G3JX trong hệ thống băng tải
Băng tải truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha điện áp 380VAC, công suất 1.1KW được điều khiển bởi biến tần omron 3G3JX
20
Hình 3. 4 Biến tần omron 3G3JX
Hình 3. 5 Sơ đồ đấu nối biến tần
21
Với yêu cầu điều khiển đặt ra, các khối được sử dụng trong biến tần bao gồm: - Khối cấp nguồn vào cho biến tần và động cơ, sử dụng nguồn 380V AC
- Khối đầu ra của biến tần nối vào động cơ của cơ cấu băng tải và mâm xoay tại các chân U, V, W ứng với động cơ 3 pha.
3.4.2 Động cơ băng tải
Hình 3. 6 Băng tải trong nhà máy
Dây chuyền sử dụng loại băng tải xích inox động cơ 1,1 kW. Trên băng tải có các cơ cấu kẹp để định vị chai theo kích thước khác nhau. Băng tải xích inox có các đặc điểm như: - Làm bằng inox, chịu được sự mài mòn cao, độ bền cao nên được sử dụng trong môi trường khác nghiệt.
- Động cơ giảm tốc chuyền động: Là loại động cơ giảm tốc có công xuất 1.1KW. - Khung băng tải xích: Bằng Inox, bằng thép hoặc nhôm định hình.
- Có các tay đỡ, thanh đỡ và chắn sản phẩm.
- Kích thước: Dài từ 500mm đến 50.000mm, rộng từ 50mm đến 1500mm.
- Ứng dụng rất nhiều trong ngành thực phẩm, đặc biệt là sản xuất đồ uống và nông sản.
- Ứng dụng trong ngành công nghiệp lắp ráp thiết bị điện tử như Ti vi, tủ lạnh, điều hoà, máy khâu, xe đạp điện, xe máy, ô tô,...
Bảng 3 1 :Thông số động cơ băng tải Hãng sản xuất Loại động cơ Điện áp (V) Dòng điện (A) Tốc độ vòng quay (v/phút) Công suất (kW) Hiệu suất (%) Hệ số công suất Trọng lượng (Kg) Xuất xứ
3.4.3 Động cơ mâm xoay
Bảng 3 2 Thông số động cơ mâm quay Hãng sản xuất Loại động cơ Điện áp (V) Dòng điện (A) Tốc độ vòng quay (v/phút) Công suất (kW) Hiệu suất (%) Hệ số công suất Xuất xứ 23
3.4.4 Động cơ vặn nắpBảng 3 3 Thông số đppmgk cơ LS 220 24VDC Bảng 3 3 Thông số đppmgk cơ LS 220 24VDC Điện áp Chiều dài(không trục) Đường kính Đường kính trục Công suất Số vòng quay
3.4.5 Động cơ bơm nước
a) Cấu tạo của máy bơm nước
+Bánh công tác: kết cấu có 3 dạng chính là cánh mở hoàn toàn, mở một phần và cánh kín. Bánh công tác được lắp trên trục của bơm cùng với các chi tiết khác cố định với trục tạo nên phần quay của bơm gọi là Roto.
Bánh công tác được đúc bằng gang hoặc thép theo phương pháp đúc chính xác. Các bề mặt cánh dẫn và đĩa bánh công tác yêu cầu có độ nhẵn tương đối cao (tam giác 3 đến 6) để giảm tổn thất. Bánh công tác và Roto của máy bơm nước đều phải được cân bằng tĩnh và cân bằng động để khi làm việc bánh công tác không cọ xát vào thân bơm. +Trục bơm: thường được chế tạo bằng thép hợp kim và được lắp với bánh công tác thông qua mối ghép then.
Bộ phận dẫn hướng vào: Hai bộ phận này thuộc thân máy bơm thường
Bộ phận dẫn hướng ra: (buồng xoắn ốc) đúc bằng gang có hình dạng tương đối phức tạp. b)Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm
Một vật khi quay quanh trục phải chịu một lực có hướng kéo vật ra xa trục quay và có phương lực đi qua tâm quay. Đó là lực ly tâm.
Hạt nước khi nằm trên một đĩa tròn phẳng đang quay sẽ chịu tác dụng của lực ly tâm và dịch chuyển dần từ tâm quay ra phía ngoài.
24
Bơm ly tâm là loại bơm theo nguyên lý lực ly tâm. Nước được dẫn vào tâm quay của cánh bơm. Nhờ lực ly tâm, nước bị đẩy văng ra mép cánh bơm. Năng lượng bên ngoài thông qua cánh bơm đã được truyền cho dòng nước, một phần tạo nên áp năng, một phần tạo thành động năng khiến nước chuyển động.
Trước khi máy bơm làm việc, cần phải làm cho thân bơm (trong đó có bánh công tác) và ống hút được điền đầy chất lỏng, thường gọi là mồi bơm.
Khi máy bơm làm việc, bánh công tác quay, các phần tử chất lỏng ở trong bánh công tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị văng từ trong ra ngoài, chuyển động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đó là quá trình đẩy của bơm. Đồng thời, ở lối vào của bánh công tác tạo nên vùng có chân không và dưới tác dụng của áp suất trong bể chứa lớn hơn áp suất ở lối vào của máy bơm nước, chất lỏng ở bể hút liên tục bị đẩy vào bơm theo ống hút, đó là quá trình hút của bơm.
Quá trình hút và đẩy của bơm là quá trình liên tục, tạo nên dòng chảy liên tục qua bơm. Bộ phận dẫn hướng ra (thường có dạng xoắn ốc nên còn gọi là buồng xoắn ốc) để dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra ống đẩy được điều hòa, ổn định và còn có tác dụng biến một phần động năng của dòng chảy thành áp năng cần thiết.
Nhận dạng: Máy bơm nước ly tâm có ống hút đưa nước vào tâm của cánh bơm và ống đẩy nằm trên mép cánh.
c)Các đặc điểm của máy bơm nước
Khi hạt nước bị lực ly tâm đẩy từ tâm cánh bơm ra phía mép bơm, sẽ xuất hiện khoảng trống tại tâm cánh bơm. Áp suất tại khoảng trống này có thể nhỏ hơn áp suất khí trời và thậm chí có lúc đạt gần tới độ chân không tuyệt đối. Bơm ly tâm lý thuyết có thể hút nước ở độ sâu tối đa 10 m so với tâm cánh bơm. Thực tế bơm ly tâm hút được nước ở độ sâu từ 3 đến 8 m, tùy loại bơm.
Lực ly tâm tỉ lệ thuận với trọng lượng của vật. Vì không khí nhẹ hơn 1000 lần so với nước nên nếu khí lọt vào tâm cánh bơm, lực ly tâm sẽ tác dụng nhỏ hơn 1000 lần và không đủ sức kéo khối khí đó ra khỏi máy bơm, tạo chân không cho lượng chất lỏng kế tiếp tràn vào. Cánh bơm vẫn quay mà nước thì không bơm được. Đây là hiện tượng lọt khí vào ống hút máy bơm ly tâm đang hoạt động. Thực tế thường gọi là “bơm bị e (air).”
25
Vì lý do này, người ta dùng bơm ly tâm chỉ ở những nơi có điều kiện lắp đặt cố định và ống hút của bơm ly tâm lúc nào cũng phải đầy nước. d) Lựa chọn bơm nước
Máy bơm nước lifetech ap 5400
Hãng sản xuất Loại động cơ Điện áp (V) Tần số (Hz) Lưu lượng nước Công suất (kW) Xuất xứ
3.5 Cảm biến trong dây chuyền
Với yêu cầu của hệ thống là cảm biến phát hiện chai nước để phát tín hiệu về PLC để điều khiển các cơ cấu chấp hành như bơm nước, cơ cấu xoáy nắp, xi lanh giữ chai nước lại cố định thì trong các loại cảm biến nêu trên, cảm biến quang phản xạ khuếch tán là cảm biến phù hợp với hệ thống với những lý do như:
+ Dễ dàng tìm thấy trên thị trường + Giá thành rẻ
+ Dễ dàng tiếp cận người dùng (lắp đặt, sử dụng).
Ở hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động này em đã sử dụng một số loại cảm biến sau:
a)Cảm biến đo lưu lượng dòng chảy
Mục đích việc đo là xác định mức độ hoặc khối lượng chất lỏng chứa trong bình chứa.
26
Có 2 dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng.
Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bình chứa. Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không.
Có 3 phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu: - Phương pháp thủy tĩnh dùng biến đổi điện.
- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu.
- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.
Trên dây chuyền đo mức cho nhà máy sản xuất nước rửa chén ta sử dụng cảm biến đo lưu lượng dòng chảy SBU625.
Hình 3. 7 Cảm biến đo lưu lượng dông chảy
SBU623 là cảm biến mức ứng dụng phổ biến cho các loại chất lỏng. sử dụng nguyên lý dung của đầu đo cho kết quả tin cậy và ổn định .Nó có khả năng phát hiện chất lỏng với độ chính xác tới hàng mm kể cả trong những điều kiện làm việc rất khắc nghiệt .
- Thiết kế chắc chắn.
27
- Ứng dụng linh động cho phép lựa chọn giải pháp trong những ứng dụng cụ thể, đặc